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摘要:铝合金表面强化方式包括喷丸强化、振动强化和滚筒强化,它们均使材料表面产生一层强化层,其深度约在0.07nmI一0.5~。研究了喷丸强化处理后75A5高强铝合金锻件的疲劳性能和滚筒强化处理后7B以高强铝合金厚板的表面残余应力、硬化层深度和疲劳性能。试验结果表明,喷丸强化可有效地改善75A5高强铝合金的疲劳性能;滚筒强化处理能明显提高7B04铝合金厚板的疲劳性能。本文由抛丸机厂家整理
关键词:喷丸强化;滚筒强化;7B以铝合金;7A5铝合金;疲劳性能

通过表面强化技术提高零件疲劳寿命早在20世纪30年代已经开始,使用最多的是喷丸技术,随着航空工业的迅速发展,1948年美国宇航材料规范中制订了喷丸强化工艺规范AMS2430。随后发展了振动强化和滚筒强化技术。一般情况下,上述强化使材料表面产生一层强化层,其深度约在0.07mm一0.5mm,它与整个零件的厚度(或直径)相比显然是极薄的一层,所以强化层对材料的静强度以及冲击强度等无明显的影响。但对于强烈依赖于材料表面(应力和组织)状态的疲劳性能,强化层却有显著的影响「’〕。喷丸强化是高速运动的弹丸流喷射材料表面并使其表层发生塑性变形的过程,加工效率高,但受设备尺寸限制,适于中小尺寸且形状较简单的零件强化,如轴类和接头类零件强化;振动强化是对加工箱体施加振幅1mm一35mm和振动循环频率16Hz一50Hz,使箱体中颗粒具有高的相对运动而使零件表面层产生塑性变形,其特点是运动颗粒可沿任何形状的零件轻易流过,适于复杂形状零件的强化。这两种强化方式均不适用于飞机上大尺寸零件如壁板、大梁、框等的强化,而滚筒强化工作室尺寸大,它是在滚筒设备中装人松散的工作介质(小立方体铝块),把零件固定在设备中。由于滚筒轴是倾斜状,滚筒转动时可以保证颗粒在沿着周向运动的同时,也能沿着轴向运动,从而撞击零件的各个表面使其发生塑性变形,导致表面层的显微组织发生变化,并产生残余压应力,从而改善零件抗疲劳性能,提高零件的使用寿命和可靠性。本文将研究高强铝合金喷丸强化和滚筒强化对疲劳性能的影响。
1试验原料和方法
1.1试验原料
滚筒强化试验用材料为用于制造飞机大壁板零件的7B04高强铝合金预拉伸厚板(40mm),名义合金成分:w(Zn)=5.75%,w(Cu)=1.69%,w(Mg)=2.35%,w(Mn)=0.37%,w(Cr)=0.17%,w(eF)=08%。
喷丸强化试验用材料为用于制造飞机各种接头零件的75A5高强铝合金锻件,名义合金成分:w(nZ)=7.81%,w(Cu)=2.22%,w(mg)=2.07%,w(Zr)=0.18%,w(Fe)=0.09%。
1.2试验方法
喷丸强化采用气动式喷丸设备。工作介质采用玻璃丸。喷丸强化疲劳试验采用圆棒状缺口试样,形状如图la所示。
滚筒强化采用箱式滚筒撞击设备。工作介质采用7A以高强度铝合金。将7A04合金制成3mmx3mmx3mm的立方体颗粒,其尖角和棱边在滚筒中倒角成半径不小于O.2mm,然后进行除油、清洗和干燥处理。
滚筒强化疲劳试验采用板片状试样,形状如图lb所示。试样滚筒强化前进行表面阳极化
处理

图1疲劳试样形状和尺寸

滚筒强化疲劳试样分为4组,其中1组不强化,其余3组在不同时间进行强化处理,见表1
表1.疲劳试样滚筒强化工艺参数

2试验结果与分析
2.1滚筒强化疲劳试样残余应力
采用X射线衍射法测量滚筒强化疲劳试样上的表面残余应力,未强化和强化的残余应力为负值,也就是压应力,见表2。
表2表面残余应力值

由表2可以看出,未强化试样纵向和横向残余应力分布不均匀,而不同时间强化后变得均
匀,残余应力值相差很小。
2.2滚筒强化疲劳试样硬化层深度
采用X射线衍射法测量被强化疲劳试样上的硬化层深度,检测方向为纵向,试验结果见表3。
表3强化处理的疲劳试样上硬化层深度

由表3可见,3种强化时间的硬化层深度均满足标准规定要求标准规定值:0.15mm一0.25mm.2H和3h无差异,6h硬化层加深。
.23疲劳性能
2.3.1滚筒强化疲劳性能
试验采用低频轴向疲劳,试验的应力比为0.1,加载频率为10次/min左右,采用320MPa
和400MPa两种应力加载。强化时间和疲劳寿命曲线见图2。

图2不同强化时间的疲劳性能

2.3.2喷丸强化疲劳性能
试验采用高频轴向疲劳,试验的应力比为0.1,加载频率为133HZ。疲劳试验结果:75A5合金喷丸试样的疲劳极限为186Mpa,而未喷丸的为1l3MPa。由此可见,对于缺口试样(表面完整性破坏),喷丸强化可有效提高75A5铝合金高频疲劳性能,是提高合金疲劳性能的有效途径.

体现强化效果的主要参数是表面硬化层深度和表面残余应力,硬化层深度随强化时间增加而变厚,表面残余应力亦随强化时间增加而变大,但由于材料基体内部抵抗变形的作用,使得表面残余压应力不可能无限增大,当硬化层达到一定厚度后表面残余应力反而会因应力松弛逐渐降低。从表2和表3的滚筒强化数据分析,强化时间增至6h时,硬化层深度相对强化3h的加深,但表面残余应力却有所降低,而材料的抗疲劳性能强烈依赖于表面残余压应力,残余压应力一方面能够在裂纹产生前的一段过程中起着降低交变载荷中拉应力的作用,使裂纹源不易产生;另一方面可提高决定材料由于缺陷(阳极化对样品表面完整性不利)或微裂纹而扩展的临界应力强度因子幅度从ht值,使裂纹不易扩展,从而明显提高材料的抗疲劳性能。本文由抛丸机厂家整理
从图2可以看出,强化3h后继续增加强化时间,疲劳性能反而有所降低。鉴于此,并考虑工厂实际生产效率和零件使用寿命,强化时间选择在3h左右为宜

结论
(l)滚筒强化处理可明显提高为宜。
(2)喷丸强化处理可有效提高7B04铝合金零件的疲劳寿命,滚筒强化时间选择在3h左右75A5铝合金锻件的疲劳寿命